專利名稱：一種毫米波段寬帶正交模耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種寬帶正交模耦合器，特別是一種毫米波段的寬帶正交模耦合器， 屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)微波遙感技術(shù)的發(fā)展，天線的頻段正在向毫米波段發(fā)展，在未來(lái)的發(fā)展規(guī)劃中，頻率甚至提高到了 IOOGHz以上。如此高的頻率，天線饋電部件的尺寸急劇縮小，機(jī)械加工面臨的挑戰(zhàn)越來(lái)越大。正交模耦合器是一種很常見(jiàn)的微波器件，為了實(shí)現(xiàn)正交模耦合器的寬帶特性，需要在正交模耦合器里加入很多阻抗匹配，使得部件的結(jié)構(gòu)較窄帶設(shè)計(jì)時(shí)更復(fù)雜。在低頻段 (30GHz以下)，器件的物理尺寸大，即使結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也可以比較容易的加工成型。但是在毫米波段(30GHz以上)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致器件無(wú)法加工或者加工精度不能保證，使得設(shè)計(jì)無(wú)法順利過(guò)渡成合格的產(chǎn)品，這種設(shè)計(jì)是不可取的?；谏鲜鍪聦?shí)，在毫米波段，天線饋電部件的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上必須盡可能的簡(jiǎn)潔，易于加工。為了達(dá)到這些效果，很多設(shè)計(jì)是以犧牲電性能來(lái)?yè)Q取結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種毫米波段寬帶正交模耦合器，即實(shí)現(xiàn)了寬帶特性，又具有簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)，易于加工，提高了成品率，減少了研制成本。本發(fā)明的技術(shù)方案為—種毫米波段寬帶正交模耦合器，包括直通端口、耦合端口、膜片、耦合區(qū)圓波導(dǎo)、 矩圓過(guò)渡、圓圓過(guò)渡、公共端口和直通通道；直通端口為一矩形波導(dǎo)，與矩圓過(guò)渡相連，矩圓過(guò)渡與直通通道相連，直通通道為一圓波導(dǎo)，在所述直通通道中間放置膜片，直通通道與耦合區(qū)圓波導(dǎo)相連，在與直通通道與耦合區(qū)圓波導(dǎo)中心軸線相垂直處連接耦合端口，耦合端口為一矩形波導(dǎo)，耦合端口的波導(dǎo)中心軸線還與膜片的平面垂直。圓圓過(guò)渡為一圓臺(tái)狀過(guò)渡段，耦合區(qū)圓波導(dǎo)與圓圓過(guò)渡直徑小的一端連接，圓圓過(guò)渡直徑大的一端連接公共端口。所述的耦合端口內(nèi)部有一臺(tái)階過(guò)渡，所述的膜片包括尖劈和尖劈，尖劈處于耦合區(qū)圓波導(dǎo)中，透過(guò)耦合端口可以看到尖劈，尖劈處于直通通道中。耦合區(qū)圓波導(dǎo)的直徑與膜片厚度的比值小于15。尖劈和尖劈的形狀為三角形。所述的尖劈的邊緣可以是直線、折線或者指數(shù)曲線。。尖劈和尖劈之間的距離大于λ min/2，λ min為所述毫米波段寬帶正交模耦合器的最小工作波長(zhǎng)。
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耦合區(qū)圓波導(dǎo)的直徑與直通通道的直徑相等。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)有技術(shù)中，在毫米波頻段，相同類型的正交模耦合器要實(shí)現(xiàn)寬帶特性，必須要消除膜片厚度對(duì)傳輸特性的影響，否則需要在正交模耦合器里加入很多的阻抗匹配段，造成部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得部件的局部結(jié)構(gòu)過(guò)于細(xì)小，在機(jī)加上無(wú)法保證加工精度，設(shè)計(jì)無(wú)法順利轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用改造膜片自身形狀的做法，基本消除掉了膜片厚度對(duì)傳輸特性的影響，而不需要額外增加匹配段抵消膜片厚度造成的影響，使得本發(fā)明設(shè)計(jì)的毫米波段寬帶正交模耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于加工，具有良好的可實(shí)現(xiàn)性。


圖I為毫米波段寬帶正交模耦合器剖面三維結(jié)構(gòu)圖；圖2為膜片具體形狀示意3為膜片的幾種形式；圖4為正交模耦合器耦合端口和直通端口駐波比曲線；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種毫米波段寬帶正交模耦合器，如圖I所示，包括直通端口 I、耦合端口 2、膜片3、耦合區(qū)圓波導(dǎo)4、矩圓過(guò)渡5、圓圓過(guò)渡6、公共端口 7和直通通道8 ;依靠在膜片3的后端添加尖劈31的方法來(lái)抵消膜片3前端尖劈30產(chǎn)生的反射，從而達(dá)到消除膜片3厚度對(duì)直通通道8電磁傳輸特性的影響。直通端口 I為一矩形波導(dǎo)，如標(biāo)準(zhǔn)矩形BJ500波導(dǎo)，與矩圓過(guò)渡5相連，矩圓過(guò)渡5 與直通通道8相連，直通通道8為一圓波導(dǎo)，在所述直通通道8中間放置膜片3，直通通道8 與耦合區(qū)圓波導(dǎo)4相連，在與直通通道8與耦合區(qū)圓波導(dǎo)4中心軸線相垂直處連接耦合端口 2，耦合端口 2為一矩形波導(dǎo)，耦合端口 2的波導(dǎo)中心軸線還與膜片3的平面垂直，耦合區(qū)圓波導(dǎo)4的直徑與直通通道8的直徑相等，耦合區(qū)圓波導(dǎo)4的直徑與膜片3厚度的比值小于15。圓圓過(guò)渡6為一圓臺(tái)狀過(guò)渡段，耦合區(qū)圓波導(dǎo)4與圓圓過(guò)渡6直徑小的一端連接， 圓圓過(guò)渡6直徑大的一端連接公共端口 7。所述的耦合端口 2內(nèi)部有一臺(tái)階過(guò)渡20，所述的膜片3包括尖劈30和尖劈31，尖劈30處于耦合區(qū)圓波導(dǎo)4中，透過(guò)耦合端口 2可以看到尖劈30，尖劈31處于直通通道8 中，尖劈30和尖劈31的形狀為三角形，如圖3所示，尖劈31的邊緣可以是直線、折線或者指數(shù)曲線，尖劈30和尖劈31之間的距離大于λ_/2，Xmin為所述毫米波段寬帶正交模耦合器的最小工作波長(zhǎng)。尖劈31形狀和位置的變化只對(duì)直通通道8的電磁傳輸特性有影響，對(duì)耦合端口 2 的電磁傳輸特性沒(méi)有影響，尖劈31形狀和位置的變化對(duì)直通通道8電磁傳輸特性的影響僅當(dāng)正交模耦合器的耦合區(qū)圓波導(dǎo)4的直徑與膜片3厚度的比值小于15時(shí)才比較顯著，調(diào)節(jié)尖劈31的尖銳程度和相對(duì)于尖劈30的前后位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直通通道8的電磁傳輸特性的優(yōu)化，尖劈30的形狀和位置對(duì)直通通道8和耦合端口 2的電磁傳輸特性都有影響。首先確定尖劈30的形狀和位置，使得耦合端口 2的傳輸特性達(dá)到指標(biāo)后，再對(duì)尖劈31的形狀和位置進(jìn)行改變優(yōu)化直通通道8的傳輸特性。調(diào)整尖劈30的前后位置和尖銳程度、耦合端口 2內(nèi)部的臺(tái)階過(guò)渡20和耦合區(qū)圓波導(dǎo)4的直徑，可以實(shí)現(xiàn)耦合端口 2的寬帶匹配。當(dāng)有效消除膜片3的厚度對(duì)直通通道8的傳輸特性影響后，在直通通道8后連接一矩圓過(guò)渡5完成圓波導(dǎo)到矩形波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換，需調(diào)整矩圓過(guò)渡5與膜片3之間的前后位置對(duì)正交模耦合器的直通端口 I進(jìn)行寬帶匹配，必要時(shí)可以對(duì)矩圓過(guò)渡5的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)直通端口I的最終寬帶匹配。設(shè)計(jì)本發(fā)明耦合器的時(shí)候可以按照如下方式進(jìn)行首先，調(diào)整尖劈30的前后位置和尖銳程度、耦合端口 2內(nèi)部的臺(tái)階過(guò)渡20的尺寸和耦合區(qū)圓波導(dǎo)4的直徑，使得耦合端口 2實(shí)現(xiàn)寬帶匹配。其次，固定尖劈30不變，對(duì)尖劈31的尖銳程度以及其與尖劈30的前后位置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得尖劈31處產(chǎn)生的反射與尖劈30處產(chǎn)生的反射在公共口 7處幅度基本相等， 相位近似反相。此時(shí)膜片3厚度對(duì)直通通道8的影響基本消除。最后，在直通通道8后連接矩圓過(guò)渡5，對(duì)矩圓過(guò)渡5相對(duì)于膜片3的前后位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)對(duì)矩圓過(guò)渡5的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)正交模耦合器直通端口 I的寬帶匹配。實(shí)施例如圖I所示的正交模耦合器。正交模耦合器的公共端口 7是連接輻射喇叭的端口， 圓圓過(guò)渡6把耦合區(qū)圓波導(dǎo)4過(guò)渡到公共端口 7。公共端口 7的直徑為4. 6_，耦合區(qū)圓波導(dǎo)4的直徑為3. 8_，之所以在耦合區(qū)使用比較細(xì)的圓波導(dǎo)，是為了實(shí)現(xiàn)耦合端口 2的寬帶設(shè)計(jì)。同時(shí)，膜片厚度的增加對(duì)耦合端口 2的寬帶實(shí)現(xiàn)沒(méi)有負(fù)面影響。在設(shè)計(jì)正交模耦合器時(shí)，先設(shè)計(jì)好耦合端口 2的寬帶匹配，再對(duì)直通通道8的電性能進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)好耦合端口 2的電性能，在設(shè)計(jì)直通通道8的電性能時(shí)，膜片3的前端尖劈30的形狀和位置必須保持不變，否則耦合端口 2的電性能會(huì)受到牽連影響。改變膜片3的后端尖劈31的形狀和位置，使得直通通道8的電磁反射達(dá)到最低， 這一步主要是依靠調(diào)整尖劈31來(lái)抵消膜片3厚度對(duì)直通通道8的傳輸特性的影響，為實(shí)現(xiàn)直通通道8的寬帶設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。對(duì)后端尖劈31設(shè)置優(yōu)化變量h和α，如圖2所示，h代表后端尖劈相對(duì)于前端尖劈的位置，α代表后端尖劈的尖銳程度，優(yōu)化這兩個(gè)變量，使得直通通道的傳輸特性達(dá)到最優(yōu)值。在對(duì)變量h進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)直通通道8與耦合端口 I的高隔離度，必須設(shè)置限制條件，即膜片3的總體長(zhǎng)度d必須大于λ min/2，λ min為本發(fā)明耦合器的最小工作波長(zhǎng)。 在本發(fā)明中，膜片3的總體長(zhǎng)度d = 4. 5mm, h = 2. 8mm, α = 133. 6°。膜片3及尖劈31 和尖劈30的厚度都為O. 3mm。正交模耦合器的耦合區(qū)圓波導(dǎo)4的直徑與膜片3厚度兩者的比值為12.67。如圖3所示，尖劈31的形狀可以是三角形，也可以是臺(tái)階形、指數(shù)曲線形或者其他函數(shù)曲線。最后，使直通通道8后連接矩圓過(guò)渡5，對(duì)矩圓過(guò)渡5相對(duì)于膜片3的前后位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，必要時(shí)對(duì)矩圓過(guò)渡5的內(nèi)部尺寸進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)正交模耦合器直通端口 I的寬帶匹配。如圖4所示，在采用了本發(fā)明所述的方法后，所設(shè)計(jì)的毫米波段正交模耦合器的直通端口 I和耦合端口 2的駐波比在49 59GHz的頻率范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小于I. 2的目標(biāo)。本發(fā)明說(shuō)明書中其他未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種毫米波段寬帶正交模耦合器，其特征在于包括直通端口(I)、耦合端口(2)、膜片(3)、耦合區(qū)圓波導(dǎo)(4)、矩圓過(guò)渡(5)、圓圓過(guò)渡(6)、公共端口(7)和直通通道(8)；直通端口(I)為一矩形波導(dǎo)，與矩圓過(guò)渡(5)相連，矩圓過(guò)渡(5)與直通通道(8)相連， 直通通道(8)為一圓波導(dǎo)，在所述直通通道(8)中間放置膜片(3)，直通通道(8)與耦合區(qū)圓波導(dǎo)⑷相連，在與直通通道⑶與耦合區(qū)圓波導(dǎo)⑷中心軸線相垂直處連接耦合端口(2)，耦合端口(2)為一矩形波導(dǎo)，耦合端口(2)的波導(dǎo)中心軸線還與膜片(3)的平面垂直。圓圓過(guò)渡(6)為一圓臺(tái)狀過(guò)渡段，耦合區(qū)圓波導(dǎo)(4)與圓圓過(guò)渡(6)直徑小的一端連接，圓圓過(guò)渡(6)直徑大的一端連接公共端口(7)。所述的耦合端口(2)內(nèi)部有一臺(tái)階過(guò)渡(20)，所述的膜片(3)包括尖劈(30)和尖劈(31)，尖劈(30)處于耦合區(qū)圓波導(dǎo)⑷中，透過(guò)耦合端口(2)可以看到尖劈(30)，尖劈(31) 處于直通通道(8)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種毫米波段寬帶正交模耦合器，其特征在于耦合區(qū)圓波導(dǎo)(4)的直徑與膜片(3)厚度的比值小于15。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種毫米波段寬帶正交模耦合器，其特征在于尖劈(30)和尖劈(31)的形狀為三角形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或3所述的一種毫米波段寬帶正交模耦合器，其特征在于所述的尖劈(31)的邊緣可以是直線、折線或者指數(shù)曲線。。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種毫米波段寬帶正交模耦合器，其特征在于尖劈(30)和尖劈(31)之間的距離大于Amin/2，Amin為所述毫米波段寬帶正交模耦合器的最小工作波長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種毫米波段寬帶正交模耦合器，其特征在于耦合區(qū)圓波導(dǎo)(4)的直徑與直通通道(8)的直徑相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種毫米波段寬帶正交模耦合器，工作于49GHz～59GHz，相對(duì)帶寬大于18.5％，屬于寬帶設(shè)計(jì)。本發(fā)明創(chuàng)造性的采用后端為尖劈形狀的膜片，有效的減弱了膜片厚度對(duì)正交模耦合器直通端口傳輸特性的影響，使得正交模耦合器的寬帶特性易于實(shí)現(xiàn)。該措施不會(huì)增加正交模耦合器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，不僅如此，采用該措施后，正交模耦合器直通端的矩圓轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)不需要額外考慮膜片厚度造成的傳輸影響，使得矩圓轉(zhuǎn)換的階數(shù)降低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。整體上，在采用了后端為尖劈形狀的膜片的設(shè)計(jì)方法后，正交模耦合器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，電性能測(cè)試優(yōu)良。
文檔編號(hào)H01P5/12GK102593566SQ20121005176
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者呂慶立, 辛麗 申請(qǐng)人:西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所